基本概念

    Windows 2000 使用基于分頁(yè)機(jī)制的虛擬內(nèi)存。每個(gè)進(jìn)程有4GB的虛擬地址空間。基于分頁(yè)機(jī)制，這4GB地址空間的一些部分被映射了物理內(nèi)存，一些部分映射硬盤上的交換文件，一些部分什么也沒有映射。程序中使用的都是4GB地址空間中的虛擬地址。而訪問(wèn)物理內(nèi)存，需要使用物理地址。

下面我們看看什么是物理地址，什么是虛擬地址。

物理地址 (physical address): 放在尋址總線上的地址。放在尋址總線上，如果是讀，電路根據(jù)這個(gè)地址每位的值就將相應(yīng)地址的物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線中傳輸。如果是寫，電路根據(jù)這個(gè)地址每位的值就將相應(yīng)地址的物理內(nèi)存中放入數(shù)據(jù)總線上的內(nèi)容。物理內(nèi)存是以字節(jié)(8位)為單位編址的。

虛擬地址 (virtual address): 4G虛擬地址空間中的地址，程序中使用的都是虛擬地址。

如果CPU寄存器中的分頁(yè)標(biāo)志位被設(shè)置，那么執(zhí)行內(nèi)存操作的機(jī)器指令時(shí)，CPU會(huì)自動(dòng)根據(jù)頁(yè)目錄和頁(yè)表中的信息，把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址，完成該指令。比如 mov eax,004227b8h ，這是把地址004227b8h處的值賦給寄存器的匯編代碼，004227b8這個(gè)地址就是虛擬址。CPU在執(zhí)行這行代碼時(shí)，發(fā)現(xiàn)寄存器中的分頁(yè)標(biāo)志位已經(jīng)被設(shè)定，就自動(dòng)完成虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，使用物理地址取出值，完成指令。對(duì)于Intel CPU 來(lái)說(shuō)，分頁(yè)標(biāo)志位是寄存器CR0的第31位，為1表示使用分頁(yè)，為0表示不使用分頁(yè)。對(duì)于初始化之后的 Win2k 我們觀察 CR0 ，發(fā)現(xiàn)第31位為1。表明Win2k是使用分頁(yè)的。

    使用了分頁(yè)機(jī)制之后，4G的地址空間被分成了固定大小的頁(yè)，每一頁(yè)或者被映射到物理內(nèi)存，或者被映射到硬盤上的交換文件中，或者沒有映射任何東西。對(duì)于一般程序來(lái)說(shuō)，4G的地址空間，只有一小部分映射了物理內(nèi)存，大片大片的部分是沒有映射任何東西。物理內(nèi)存也被分頁(yè)，來(lái)映射地址空間。對(duì)于32bit的Win2k，頁(yè)的大小是4K字節(jié)。CPU用來(lái)把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址的信息存放在叫做頁(yè)目錄和頁(yè)表的結(jié)構(gòu)里。

    物理內(nèi)存分頁(yè)，一個(gè)物理頁(yè)的大小為4K字節(jié)，第0個(gè)物理頁(yè)從物理地址 0x00000000 處開始。由于頁(yè)的大小為4KB，就是0x1000字節(jié)，所以第1頁(yè)從物理地址 0x00001000 處開始。第2頁(yè)從物理地址 0x00002000 處開始。可以看到由于頁(yè)的大小是4KB，所以只需要32bit的地址中高20bit來(lái)尋址物理頁(yè)。

    頁(yè)表，一個(gè)頁(yè)表的大小為4K字節(jié)，放在一個(gè)物理頁(yè)中。由1024個(gè)4字節(jié)的頁(yè)表項(xiàng)組成。頁(yè)表項(xiàng)的大小為4個(gè)字節(jié)(32bit)，所以一個(gè)頁(yè)表中有1024個(gè)頁(yè)表項(xiàng)。頁(yè)表中的每一項(xiàng)的內(nèi)容（每項(xiàng)4個(gè)字節(jié),32bit）高20bit用來(lái)放一個(gè)物理頁(yè)的物理地址，低12bit放著一些標(biāo)志。

    頁(yè)目錄，一個(gè)頁(yè)目錄大小為4K字節(jié)，放在一個(gè)物理頁(yè)中。由1024個(gè)4字節(jié)的頁(yè)目錄項(xiàng)組成。頁(yè)目錄項(xiàng)的大小為4個(gè)字節(jié)(32bit)，所以一個(gè)頁(yè)目錄中有1024個(gè)頁(yè)目錄項(xiàng)。頁(yè)目錄中的每一項(xiàng)的內(nèi)容（每項(xiàng)4個(gè)字節(jié)）高20bit用來(lái)放一個(gè)頁(yè)表（頁(yè)表放在一個(gè)物理頁(yè)中）的物理地址，低12bit放著一些標(biāo)志。

    對(duì)于x86系統(tǒng)，頁(yè)目錄的物理地址放在CPU的CR3寄存器中。

    CPU把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址：
    一個(gè)虛擬地址，大小4個(gè)字節(jié)(32bit)，包含著找到物理地址的信息，分為3個(gè)部分：第22位到第31位這10位（最高10位）是頁(yè)目錄中的索引，第12位到第21位這10位是頁(yè)表中的索引，第0位到第11位這12位（低12位）是頁(yè)內(nèi)偏移。對(duì)于一個(gè)要轉(zhuǎn)換成物理地址的虛擬地址，CPU首先根據(jù)CR3中的值，找到頁(yè)目錄所在的物理頁(yè)。然后根據(jù)虛擬地址的第22位到第31位這10位（最高的10bit)的值作為索引，找到相應(yīng)的頁(yè)目錄項(xiàng)(PDE,page directory entry),頁(yè)目錄項(xiàng)中有這個(gè)虛擬地址所對(duì)應(yīng)頁(yè)表的物理地址。有了頁(yè)表的物理地址，根據(jù)虛擬地址的第12位到第21位這10位的值作為索引，找到該頁(yè)表中相應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)(PTE,page table entry),頁(yè)表項(xiàng)中就有這個(gè)虛擬地址所對(duì)應(yīng)物理頁(yè)的物理地址。最后用虛擬地址的最低12位，也就是頁(yè)內(nèi)偏移，加上這個(gè)物理頁(yè)的物理地址，就得到了該虛擬地址所對(duì)應(yīng)的物理地址。

    一個(gè)頁(yè)目錄有1024項(xiàng)，虛擬地址最高的10bit剛好可以索引1024項(xiàng)（2的10次方等于1024）。一個(gè)頁(yè)表也有1024項(xiàng)，虛擬地址中間部分的10bit，剛好索引1024項(xiàng)。虛擬地址最低的12bit（2的12次方等于4096），作為頁(yè)內(nèi)偏移，剛好可以索引4KB，也就是一個(gè)物理頁(yè)中的每個(gè)字節(jié)。

    一個(gè)虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址的計(jì)算過(guò)程就是，處理器通過(guò)CR3找到當(dāng)前頁(yè)目錄所在物理頁(yè)，取虛擬地址的高10bit,然后把這10bit右移2bit（因?yàn)槊總€(gè)頁(yè)目錄項(xiàng)4個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，右移2bit相當(dāng)于乘4）得到在該頁(yè)中的地址，取出該地址處PDE（4個(gè)字節(jié)），就找到了該虛擬地址對(duì)應(yīng)頁(yè)表所在物理頁(yè)，取虛擬地址第12位到第21位這10位，然后把這10bit右移2bit（因?yàn)槊總€(gè)頁(yè)表項(xiàng)4個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，右移2bit相當(dāng)于乘4）得到在該頁(yè)中的地址，取出該地址處的PTE（4個(gè)字節(jié)），就找到了該虛擬地址對(duì)應(yīng)物理頁(yè)的地址，最后加上12bit的頁(yè)內(nèi)偏移得到了物理地址。

    32bit的一個(gè)指針，可以尋址范圍0x00000000-0xFFFFFFFF,4GB大小。也就是說(shuō)一個(gè)32bit的指針可以尋址整個(gè)4GB地址空間的每一個(gè)字節(jié)。一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)負(fù)責(zé)4K的地址空間和物理內(nèi)存的映射，一個(gè)頁(yè)表1024項(xiàng)，也就是負(fù)責(zé)1024*4k=4M的地址空間的映射。一個(gè)頁(yè)目錄項(xiàng)，對(duì)應(yīng)一個(gè)頁(yè)表。一個(gè)頁(yè)目錄有1024項(xiàng)，也就對(duì)應(yīng)著1024個(gè)頁(yè)表，每個(gè)頁(yè)表負(fù)責(zé)4M地址空間的映射。1024個(gè)頁(yè)表負(fù)責(zé)1024*4M=4G的地址空間映射。一個(gè)進(jìn)程有一個(gè)頁(yè)目錄。所以以頁(yè)為單位，頁(yè)目錄和頁(yè)表可以保證4G的地址空間中的每頁(yè)和物理內(nèi)存的映射。

    每個(gè)進(jìn)程都有自己的4G地址空間，從 0x00000000-0xFFFFFFFF 。通過(guò)每個(gè)進(jìn)程自己的一套頁(yè)目錄和頁(yè)表來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于每個(gè)進(jìn)程有自己的頁(yè)目錄和頁(yè)表，所以每個(gè)進(jìn)程的地址空間映射的物理內(nèi)存是不一樣的。兩個(gè)進(jìn)程的同一個(gè)虛擬地址處（如果都有物理內(nèi)存映射）的值一般是不同的，因?yàn)樗麄兺鶎?duì)應(yīng)不同的物理頁(yè)。

    4G地址空間中低2G，0x00000000-0x7FFFFFFF 是用戶地址空間，4G地址空間中高2G，
0x80000000-0xFFFFFFFF 是系統(tǒng)地址空間。訪問(wèn)系統(tǒng)地址空間需要程序有ring0的權(quán)限。

作者: JIURL